Здания с чрезмерно большой площадью остекления

Специального рассмотрения заслуживает вопрос о широко распространенной в настоящее время стекломании, так как нормализация площади остекления вместо неоправданно огромных площадей способствует улучшению микроклимата, сокращению капитальных затрат, а также уменьшает эксплуатационные расходы, особенно в городах, расположенных в холодных и жарких климатических районах.

В помещениях таких зданий люди проводят 1/3 часть жизни, наиболее насыщенную общественно полезной творческой деятельностью. Степень усталости людей и, как следствие, снижение интенсивности и результативности этой деятельности во многом определяется на юге перегревом помещений. В связи с этим проблема формирования оптимального микроклимата в помещениях подобных зданий приобретает исключительно важное значение.

В помещениях зданий рабочие места людей четко фиксированы, что практически исключает возможность согласования места деятельности людей с изменяющимся в течение суток характером воздействия наружного климата. Это создает дополнительные трудности при решении задачи по поддержанию в помещениях оптимальных параметров микроклимата инженерными системами здания.

В последние десятилетия повсеместно в мире появилась тенденция строительства общественных зданий с чрезмерно большой площадью остекления. Создалось впечатление, что забвению предается основное назначение помещения - оградить человека от неблагоприятного воздействия внешней среды. При этом, очевидно, имелись в виду эстетические достоинства подобных зданий. Предполагалось, что ухудшение параметров микроклимата в подобных помещениях в значительной мере может быть компенсировано с помощью инженерных систем. Однако, проведенные натурные наблюдения показали, что инженерные системы не в состоянии полностью ликвидировать дискомфорт в помещениях переостекленных зданий. При этом сами системы оказались крайне дорогими и сложными в эксплуатации. Основные нарушения параметров микроклимата в помещениях таких зданий сводятся к снижению температуры поверхности остекления в холодный и повышению в теплый периоды года, что обусловливает возникновение значительной по величине дискомфортной зоны вблизи окон.

Если также учесть огромные энергетические затраты, связанные с нагревом помещений в холодный период года и охлаждением в теплый, почти в 2-3 раза превышающие энергетические затраты помещений с нормальной площадью остекления, то становятся ясны причины повышенного внимания специалистов по отоплению, вентиляции и кондиционированию, а также врачей и гигиенистов к данной проблеме.

В связи с ростом стоимости энергии в последние годы во всем мире вопросу ее экономии уделяется особое внимание. Экономии энергии был посвящен 6-й Международный конгресс по кондиционированию воздуха, состоявшийся в марте 1975 г. в Милане (Италия). Одна из тем, обсуждавшихся на конгрессе, называлась "Экономия энергии в архитектуре здания". Этой теме был посвящен ряд докладов. Особый интерес представляли доклады Вуда и Невинса (США), И. Ф. Ливчака (СССР), Кимура и др. (Япония), Велингтона (Великобритания), Питерсона и др. (Швеция). Специалисты подчеркивали необходимость снижения "эффективного коэффициента теплопередачи" наружных ограждений, которое может быть достигнуто путем повышения герметичности оконных заполнений и сокращения площади остекления.

Теплоотдача человека зависит от тепловой обстановки в помещении, которая, как указывалось выше, определяется следующими показателями: средней температурой воздуха в помещении, средней температурой внутренних поверхностей ограждений помещений, подвижностью воздуха в помещении, относительной влажностью. Кроме того, при оценке параметров микроклимата следует учитывать отрицательное влияние асимметричных тепловых воздействий на человека, возникающих в помещении при наличии холодных или нагретых поверхностей.

Одна из фундаментальных задач, которой занимались и занимаются гигиенисты разных стран, состоит в оценке того, какие сочетания параметров микроклимата следует считать оптимальными с физиологической точки зрения. Установлена зависимость, из которой вытекает, что если температура ограждений уменьшается на 1 ° С - в частности, при большом остеклении,- то для соблюдения равно-комфортной обстановки в помещении следует температуру внутреннего воздуха увеличить на 2° С.

Одновременно, увеличение степени остекления с 0,15 до 0,6 приводит к необходимости увеличивать температуру остекления на 2° С, прибегая, например, к замене двойного остекления на тройное, либо к искусственным мерам по обогреву окон.

Соблюдение первых двух критериев обеспечивает выполнение условий комфортности в "среднем" по помещению, однако не означает еще, что во всех зонах будет также комфортная обстановка. Это связано с тем, что в помещении существует неравномерность температурных и скоростных полей, связанная с конвективными воздушными потоками в нем.

В связи с этим возникает необходимость ввести критерий комфортности, устанавливающий предельно допустимые параметры воздуха (скорость и температуру) в отдельных зонах помещения. Применительно к помещениям административных зданий, где подвижность воздуха должна лежать в пределах 0,1-0,3 м/с, перепады температур между областью стоп и зоной дыхания человека не должны превышать 3,5-2° С при изменении скорости с 0,1 до 0,3 м/с.

Таким образом, инженерные системы зданий совместно с архитектурно-конструктивными средствами призваны обеспечить соблюдение в помещении требований комфортности.

Инфильтрация наружного воздуха является одним из основных факторов, который определяет степень дискомфорта в помещении. Особенно это относится к зданиям повышенной этажности. Проникающий в помещение фильтрующийся наружный воздух образует холодные струи. Формирование температурных и скоростных полей в помещении происходит в результате взаимодействия этих струй с конвективными, возникающими над отопительными устройствами, или динамическими от вентиляционных устройств. Таким образом, градиент температур, формирующийся в помещении зависит не только от расходов инфильтрационного воздуха, но и от особенностей инженерных систем.

Несмотря на многообразие используемых инженерных систем, с точки зрения их влияния на параметры микроклимата при фильтрации воздуха можно выделить три характерных варианта:

воздушное отопление с подачей воздуха у потолка с противоположной от окна стороны;

конвективно-радиационная система с установкой отопительных приборов под всем окном;

то же - под частью окна.

Наиболее благоприятные условия в помещении складываются при установке приборов системы отопления под всем окном. В этом случае источники тепла (отопительные приборы) и стоки тепла (холодное наружное ограждение и фильтрующийся воздух) сосредоточены в одном месте, имея одинаковую горизонтальную распространенность в пространстве. В результате струи холодного фильтрующегося воздуха смешиваются с конвективными потоками, развивающимися над отопительными приборами, образуя единую воздушную струю, температура которой близка к средней температуре помещения. Однако в помещениях зданий с чрезмерно развитой поверхностью остекления обеспечить полную защиту остекленных поверхностей в рамках существующей крайне ограниченной номенклатуры отопительно-вентиляционных устройств не удается. Поэтому для таких помещений характерна частичная защита остекления конвективными струями. В этом случае часть фильтрационного воздуха поступает в помещение через оконный проем, не защищенный конвективной струей. Холодный воздух, проникающий в помещение в этой части, образует ниспадающий поток, расстилающийся по полу. В результате в помещении образуются две зоны циркуляции: нижняя, связанная с распространением в помещении холодного воздуха, и верхняя, куда попадает струя, образованная в результате конвективного потока и воздуха, фильтрующегося через защищенную часть окна.

Аналогичная ситуация складывается в системах воздушного отопления.

С ростом степени остекления увеличивается площадь холодных поверхностей в помещении и, следовательно, ухудшается общая радиационная обстановка, поскольку интенсифицируется лучистая теплоотдача человека.

Для обеспечения равнокомфортной обстановки, например, в помещениях II климатического района при увеличении степени остекления с 0,2 до 0,6 средняя температура воздуха в помещении должна быть увеличена на 1° С. Подобное увеличение температуры внутреннего воздуха является нежелательным, поскольку с гигиенической точки зрения следует стремиться к режимам работы инженерных систем со сниженной температурой воздуха.

Особенно остро ощущается влияние холодных поверхностей на самочувствие людей, которые находятся вблизи остекления.

С увеличением площади остекления возрастает объем наружного воздуха, поступающий в помещения через неплотности светопрозрачных ограждений. Выше было рассмотрено влияние данного явления на параметры микроклимата помещений. Однако этим еще не исчерпываются его отрицательные воздействия. В помещениях с большой степенью остекления расходы фильтрационного воздуха с наветренной стороны оказываются соизмеримыми с расходами приточного воздуха, поступающего в помещение от системы механической приточной вентиляции, т. е. возникает ситуация, когда в здании существует вторая "приточная система", расходы в которой существенно зависят от изменяющихся параметров наружного климата.

С ростом степени остекления возрастает расход воздуха, поступающего в помещение в результате фильтрации. Так, при скорости ветра 5 м/с и при степени остекления, равной 0,1, расход фильтрационного воздуха в помещениях, расположенных с наветренной стороны, составляет 7,5% от санитарной нормы, а при степени остекления, равной 0,6, он составляет уже около 40%; аналогичные расходы инфильтрационного воздуха при скорости ветра 7 м/с возрастают соответственно до 12% и 60%.

Таким образом, избыточное остекление нарушает и воздушный режим здания. Результатом является также нарушение теплового режима помещений. Это связано с тем, что с ростом скорости ветра теплопотери помещений с наветренной стороны значительно возрастают, в то время как с заветренной они остаются практически неизменными. Этот перепад становится тем более существенным, чем больше степень остекления здания.

Для обеспечения устойчивого воздушного и теплового режима помещений в зданиях с избыточным остеклением требуется использовать окна повышенной герметичности. В частности, при степени остекления 0,5-0,6, чтобы фильтрационный поток воздуха не превышал 15% нормативного воздухообмена, необходимы окна с коэффициентом воздухопропускания 2- 3 кг/(м2 • ч) 9,8 Па, что в 2,5-4 раза ниже воздухопроницаемости серийно выпускаемых окон. Положение усугубляется еще и тем, что при чрезмерном остеклении снижается тепловая устойчивость помещений - способность помещения "сглаживать" возмущения со стороны наружного климата, воздействующие на тепловой режим помещения.

Последнее обстоятельство существенно затрудняет работу систем автоматического регулирования теплового режима помещений, делает их дорогими и сложными в эксплуатации.

В помещениях с избыточным остеклением существенно возрастают и расходы тепловой энергии, затрачиваемой на их отопление. Это связано с увеличением трансмиссионных теплопотерь через наружные ограждения, поскольку коэффициент теплопередачи окон в 2,5 раза больше, чем стеновых ограждений, а также с возрастанием расходов инфильтрационного воздуха, поступающего в помещение.

В условиях летнего теплового режима помещений нарушение комфорта происходит особенно выражение вследствие роста температуры воздуха и температуры ограждений. Перегрев помещений с солнечной стороны начинается очень рано. В помещениях без солнцезащитных устройств с избыточным остеклением, расположенных на солнечной стороне, температура внутреннего воздуха постоянно будет избыточной даже при наличии дополнительно к нормативному воздухообмену проветривания помещений через окна. При отсутствии проветривания температура может достигать особенно высоких значений. Поэтому такие помещения становятся практически непригодными для работы и требуют применения систем кондиционирования. Однако использование кондиционирования в помещениях, не защищенных от солнца, является своего рода нелепостью. Ведь 1 м2 пола помещения, нагреваемого лучами солнца, дает столько же тепла, сколько 1 м2 зеркала натопленной печи. Тратить энергию на удаление тепла, которое гораздо дешевле просто не пустить в помещение,- преступно. Вывод один - необходима надежная регулируемая солнцезащита.

Схема формирования внутренней среды помещений